JP4815804B2 - Storage element and storage device - Google Patents

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Description

本発明は、情報を記録することができる記憶素子、及び記憶素子を用いた記憶装置に係わる。   The present invention relates to a memory element capable of recording information and a memory device using the memory element.

コンピュータ等の情報機器においては、ランダム・アクセス・メモリとして、動作が高速で、高密度のDRAMが広く使用されている。   In information equipment such as a computer, a high-speed and high-density DRAM is widely used as a random access memory.

しかしながら、DRAMは、電子機器に用いられる一般的な論理回路LSIや信号処理と比較して製造プロセスが複雑であるため、製造コストが高くなっている。
また、DRAMは、電源を切ると情報が消えてしまう揮発性メモリであり、頻繁にリフレッシュ動作、即ち書き込んだ情報(データ)を読み出し、増幅し直して、再度書き込み直す動作を行う必要がある。
However, a DRAM has a higher manufacturing cost because a manufacturing process is more complicated than a general logic circuit LSI or signal processing used in an electronic device.
The DRAM is a volatile memory in which information disappears when the power is turned off, and it is necessary to frequently perform a refresh operation, that is, an operation of reading, amplifying, and rewriting the written information (data).

そこで、電源を切っても情報が消えない不揮発性のメモリとして、例えばFeRAM(強誘電体メモリ)やMRAM(磁気記憶素子)等が提案されている。
これらのメモリの場合、電源を供給しなくても書き込んだ情報を長時間保持し続けることが可能になる。
また、これらのメモリの場合、不揮発性とすることにより、リフレッシュ動作を不要にして、その分消費電力を低減することができると考えられる。
Thus, for example, FeRAM (ferroelectric memory), MRAM (magnetic memory element), and the like have been proposed as nonvolatile memories whose information does not disappear even when the power is turned off.
In the case of these memories, it is possible to keep the written information for a long time without supplying power.
In addition, in the case of these memories, it is considered that by making them non-volatile, the refresh operation is unnecessary and the power consumption can be reduced accordingly.

しかしながら、上述の不揮発性のメモリは、各メモリセルを構成するメモリ素子の縮小化に伴い、記憶素子としての特性を確保することが困難になってくる。
このため、デザインルールの限界や製造プロセス上の限界まで素子を縮小化することは難しい。
However, with the above-described nonvolatile memory, it is difficult to ensure characteristics as a memory element as the memory elements constituting each memory cell are reduced.
For this reason, it is difficult to reduce the element to the limit of the design rule and the limit of the manufacturing process.

そこで、縮小化に適した構成のメモリとして、新しいタイプの記憶素子が提案されている。
この記憶素子は、2つの電極の間に、ある金属を含むイオン導電体を挟んだ構造である。
そして、2つの電極のいずれか一方にイオン導電体中に含まれる金属を含ませることにより、2つの電極間に電圧を印加した場合に、電極中に含まれる金属がイオン導電体中にイオンとして拡散するため、これによりイオン導電体の抵抗値或いはキャパシタンス等の電気特性が変化する。
この特性を利用して、メモリデバイスを構成することが可能である(例えば特許文献1、非特許文献1参照)。
Therefore, a new type of storage element has been proposed as a memory having a configuration suitable for downsizing.
This memory element has a structure in which an ionic conductor containing a certain metal is sandwiched between two electrodes.
And by including the metal contained in the ionic conductor in one of the two electrodes, when a voltage is applied between the two electrodes, the metal contained in the electrode becomes an ion in the ionic conductor. Due to the diffusion, this changes the electrical properties such as resistance or capacitance of the ionic conductor.
A memory device can be configured using this characteristic (see, for example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 1).

具体的には、イオン導電体はカルコゲナイドと金属との固溶体よりなり、さらに具体的には、AsS,GeS,GeSeにCu,Ag,Znが固溶された材料からなり、2つの電極のいずれか一方の電極には、Cu,Ag,Znを含んでいる(上記特許文献1参照)。   Specifically, the ionic conductor is made of a solid solution of chalcogenide and metal, and more specifically, made of a material in which Cu, Ag, Zn is dissolved in AsS, GeS, GeSe, and one of the two electrodes. One electrode contains Cu, Ag, and Zn (see Patent Document 1).

さらに、結晶酸化物材料を用いた各種不揮発メモリも提案されており、例えば、CrがドープされたSrZrO結晶材料を、SrRuO或いはPtによる下部電極と、Au或いはPtによる上部電極とにより挟んだ構造のデバイスにおいて、極性の異なる電圧の印加により可逆的に抵抗が変化することによるメモリが報告されている(非特許文献2参照)。ただし、その原理等の詳細は不明である。
特表2002−536840号公報 日経エレクトロニクス 2003年1月20日号(第104頁) A.Beck et al.,Appl.Phys.Lett.,77,2000年,p.139
Furthermore, various non-volatile memories using a crystalline oxide material have also been proposed. For example, a Cr-doped SrZrO 3 crystal material is sandwiched between a lower electrode made of SrRuO 3 or Pt and an upper electrode made of Au or Pt. In a device having a structure, there has been reported a memory in which resistance is reversibly changed by application of voltages having different polarities (see Non-Patent Document 2). However, the details such as the principle are unknown.
Special Table 2002-536840 Publication Nikkei Electronics January 20, 2003 issue (page 104) A. Beck et al., Appl. Phys. Lett., 77, 2000, p. 139

しかしながら、上述した、上部電極或いは下部電極のいずれかにCu,Ag,Znを含み、それらの電極にGeS或いはGeSeアモルファスカルコゲナイド材料が挟まれた構造の記憶素子では、温度上昇によりカルコゲナイド薄膜の結晶化が生じ、結晶化に伴って材料の特性が変化し、本来は高い抵抗の状態でデータを保持していたのが、高温環境下又は長期保存時に低い抵抗の状態に変化してしまう、等の問題を有する。   However, in the memory element having a structure in which Cu, Ag, or Zn is contained in either the upper electrode or the lower electrode and GeS or GeSe amorphous chalcogenide material is sandwiched between the electrodes, the chalcogenide thin film is crystallized due to temperature rise. The characteristics of the material changed with crystallization, and the data was originally held in a high resistance state, but it changed to a low resistance state in a high temperature environment or during long-term storage. Have a problem.

そして、例えば、上部電極と下部電極との間の記録材料に結晶材料を用いた場合には、アモルファス材料を用いた場合に比べると問題が多く、低価格で量産を行うことは難しい。
また、良質な結晶性を得るために、例えば700℃といった高温処理を行う必要があり、予め形成されているMOSトランジスタの特性を、熱により劣化させてしまう問題が生じる。
また、結晶成長を行うために、下地材料が限定され、例えば、単結晶材料を用いる必要が生じる。
For example, when a crystalline material is used as the recording material between the upper electrode and the lower electrode, there are more problems than when an amorphous material is used, and it is difficult to perform mass production at a low price.
In addition, in order to obtain good crystallinity, it is necessary to perform a high temperature treatment such as 700 ° C., which causes a problem that the characteristics of the MOS transistor formed in advance are deteriorated by heat.
In addition, in order to perform crystal growth, a base material is limited, and for example, it is necessary to use a single crystal material.

さらに、例えば、下地材料に単結晶材料等の結晶材料を用いた場合には、理由は不明であったが、高抵抗状態から低抵抗状態にスイッチングする際に印加するスイッチング電圧のバラツキを生じやすい、という問題もあった。   Furthermore, for example, when a crystal material such as a single crystal material is used as the base material, the reason is unknown, but the switching voltage applied when switching from the high resistance state to the low resistance state is likely to vary. There was also a problem.

上述した問題の解決のために、本発明においては、情報の記録及び読み出しを容易に安定して行うことができ、比較的簡単な製造方法で容易に製造することができる構成の記憶素子及びこれを用いた記憶装置を提供するものである。   In order to solve the above-described problem, in the present invention, a storage element having a configuration that can easily and stably record and read information and can be easily manufactured by a relatively simple manufacturing method, and the same The present invention provides a storage device using the.

本発明の記憶素子は、第1の電極と第2の電極との間に、記憶層及びイオン源層が挟まれて構成され、イオン源層に、CuとTeとホウ素が含有されているものである。 The memory element of the present invention is configured such that a memory layer and an ion source layer are sandwiched between a first electrode and a second electrode, and the ion source layer contains Cu, Te, and boron. It is.

上述の本発明の記憶素子の構成によれば、第1の電極と第2の電極との間に、記憶層及びイオン源層が挟まれて構成され、このイオン源層に、CuとTeが含まれているので、記憶層の抵抗状態が変化することを利用して、情報を記録することが可能になる。 According to the configuration of the memory element of the present invention described above, the memory layer and the ion source layer are sandwiched between the first electrode and the second electrode, and Cu and Te are formed on the ion source layer. Therefore, information can be recorded by utilizing the change in the resistance state of the storage layer.

具体的には、例えば、Cuを含むイオン源層自身、或いはイオン源層に接する電極側に正電位を印加して記憶素子に電圧をかけると、イオン源層に含まれるCu(イオン源元素)がイオン化して記憶層内に拡散し、他方の電極側の部分で電子と結合して析出することにより、或いは、記憶層中に留まり絶縁膜の不純物準位を形成することによって、記憶層の抵抗値が低くなり、これにより情報の記録を行うことが可能になる。
また、この状態から、Cuを含むイオン源層或いはイオン源層に接する一方の電極側に負電位を印加して記憶素子に負電圧をかけると、他方の電極側に析出していたCuが再びイオン化して、一方の電極側に戻ることによって記憶層の抵抗値が元の高い状態に戻り、記憶素子の抵抗値も高くなるので、これにより記録した情報の消去を行うことが可能になる。
Specifically, for example, when a positive potential is applied to the ion source layer itself containing Cu or the electrode side in contact with the ion source layer and a voltage is applied to the memory element, Cu (ion source element) contained in the ion source layer Is ionized and diffused in the memory layer and combined with electrons in the other electrode side and deposited, or by staying in the memory layer and forming an impurity level of the insulating film, The resistance value is lowered, which makes it possible to record information.
Also, from this state, when a negative potential is applied to the ion source layer containing Cu or one electrode in contact with the ion source layer and a negative voltage is applied to the memory element, the Cu deposited on the other electrode side is again By ionizing and returning to one electrode side, the resistance value of the memory layer returns to the original high state, and the resistance value of the memory element also increases, so that the recorded information can be erased.

また、イオン源層に、Te(カルコゲナイド元素)が含まれていることにより、Cuのイオン化が促進される。 Further, since Te (chalcogenide element) is contained in the ion source layer, the ionization of Cu is promoted.

そして、このイオン源層に、さらに、ボロンが含有されていることにより、イオン源層の結晶化を抑制して、イオン源層を均一に非晶質構造、或いは、非常に粒子径が小さく均一な微結晶構造とすることができるため、熱処理工程等で記憶素子に熱が加わってもイオン源層の微細構造が安定に保たれ、イオン源層の膜の状態(表面状態等)が良好な状態で維持される。即ち、半導体プロセス、特に、配線工程で必要とされる高温熱処理工程に対しても、イオン源層の微細構造が安定に保たれる。
これにより、情報の記録・消去を行う際に、記憶層内の電界分布が均一になり、記憶素子を高抵抗状態から低抵抗状態に変化させる際の電圧の閾値(スイッチング電圧)を、バラツキが少なくすることができるため、繰り返して記録・消去を行っても均一な値とすることができる。
即ち、高温熱処理が施された後でも、イオン源層及び記憶層を良好な状態に保つことができ、記憶素子の耐熱性を向上することができる。
Further, since the ion source layer further contains boron, crystallization of the ion source layer is suppressed, so that the ion source layer has a uniform amorphous structure, or has a very small particle diameter and a uniform size. Therefore, even if heat is applied to the memory element in the heat treatment process, the fine structure of the ion source layer is kept stable, and the film state (surface state, etc.) of the ion source layer is good. Maintained in a state. That is, the fine structure of the ion source layer can be kept stable even in a semiconductor process, particularly in a high-temperature heat treatment process required in a wiring process.
As a result, when recording and erasing information, the electric field distribution in the storage layer becomes uniform, and the voltage threshold (switching voltage) when changing the storage element from the high resistance state to the low resistance state varies. Since it can be reduced, a uniform value can be obtained even when recording and erasing are repeated.
That is, even after the high temperature heat treatment is performed, the ion source layer and the memory layer can be kept in a good state, and the heat resistance of the memory element can be improved.

本発明の記憶素子は、第1の電極と第2の電極との間に、記憶層及びイオン源層が挟まれて構成され、このイオン源層に、CuとTeと希土類元素及びシリコンが含有されているものである。 The memory element of the present invention is configured by sandwiching a memory layer and an ion source layer between a first electrode and a second electrode, and this ion source layer contains Cu, Te, a rare earth element, and silicon. It is what has been.

上述の本発明の記憶素子の構成によれば、第1の電極と第2の電極との間に、記憶層及びイオン源層が挟まれて構成され、イオン源層に、CuとTeが含まれているので、記憶層の抵抗状態が変化することを利用して、情報を記録することが可能になる。
また、イオン源層に、Te(カルコゲナイド元素)が含まれていることにより、Cuのイオン化が促進される。
そして、このイオン源層に、さらに、希土類元素及びシリコンが含有されていることにより、熱が加わることによるイオン源層の結晶化を抑制して、イオン源層にボロンが含有されている構成と同様に、イオン源層及び記憶層を良好な状態に保つことができるため、記憶素子の耐熱性を向上することができる。
According to the configuration of the memory element of the present invention described above, the memory layer and the ion source layer are sandwiched between the first electrode and the second electrode, and the ion source layer includes Cu and Te. Therefore, information can be recorded by utilizing the change in the resistance state of the memory layer.
Further, since Te (chalcogenide element) is contained in the ion source layer, the ionization of Cu is promoted.
The ion source layer further contains rare earth elements and silicon, thereby suppressing the crystallization of the ion source layer due to the application of heat, and the ion source layer contains boron. Similarly, since the ion source layer and the memory layer can be kept in a good state, the heat resistance of the memory element can be improved.

本発明の記憶装置は、第1の電極と第2の電極との間に、記憶層及びイオン源層が挟まれて構成され、このイオン源層に、CuとTeとホウ素が含有されている記憶素子と、第1の電極側に接続された配線と、第2の電極側に接続された配線とを有し、記憶素子が多数配置されて成るものである。 The memory device of the present invention is configured such that a memory layer and an ion source layer are sandwiched between a first electrode and a second electrode, and Cu, Te and boron are contained in the ion source layer. It has a memory element, wiring connected to the first electrode side, and wiring connected to the second electrode side, and a large number of memory elements are arranged.

上述の本発明の記憶装置の構成によれば、前述した本発明に係る記憶素子と、第1の電極側に接続された配線と、第2の電極側に接続された配線とを有し、記憶素子が多数配置されて成ることにより、記憶素子に配線から電流を流して情報の記録や情報の消去を行うことができる。   According to the configuration of the memory device of the present invention described above, the memory element according to the present invention described above, the wiring connected to the first electrode side, and the wiring connected to the second electrode side, Since a large number of memory elements are arranged, information can be recorded and information can be erased by supplying current from the wiring to the memory elements.

本発明の記憶装置は、第1の電極と第2の電極との間に、記憶層及びイオン源層が挟まれて構成され、このイオン源層に、CuとTeと希土類元素及びシリコンが含有されている記憶素子と、第1の電極側に接続された配線と、第2の電極側に接続された配線とを有し、記憶素子が多数配置されて成るものである。 The memory device of the present invention is configured by sandwiching a memory layer and an ion source layer between a first electrode and a second electrode, and this ion source layer contains Cu, Te, a rare earth element, and silicon. The memory element, the wiring connected to the first electrode side, and the wiring connected to the second electrode side, and a large number of memory elements are arranged.

上述の本発明の記憶装置の構成によれば、前述した本発明に係る記憶素子と、第1の電極側に接続された配線と、第2の電極側に接続された配線とを有し、記憶素子が多数配置されて成ることにより、記憶素子に配線から電流を流して情報の記録や情報の消去を行うことができる。   According to the configuration of the memory device of the present invention described above, the memory element according to the present invention described above, the wiring connected to the first electrode side, and the wiring connected to the second electrode side, Since a large number of memory elements are arranged, information can be recorded and information can be erased by supplying current from the wiring to the memory elements.

本発明によれば、高温熱処理工程等によって記憶素子に熱が加わっても、記憶素子に対する情報の記録・消去を、繰り返し安定して行うことができる。
また、記憶素子の構成は、他の種類の記憶素子(半導体メモリや強誘電体メモリ等の記憶素子)と比較して、簡単な方法により製造を行うことができる。
According to the present invention, even when heat is applied to the memory element by a high-temperature heat treatment process or the like, information can be recorded / erased on the memory element repeatedly and stably.
The structure of the memory element can be manufactured by a simple method as compared with other types of memory elements (memory elements such as a semiconductor memory and a ferroelectric memory).

さらに、記憶素子の抵抗値の変化を利用して情報の記録を行っているため、記憶素子を微細化していった場合にも、情報の記録や記録した情報の保持が容易になる利点を有している。   Furthermore, since information is recorded by utilizing the change in resistance value of the memory element, there is an advantage that even when the memory element is miniaturized, it is easy to record information and hold the recorded information. is doing.

従って、本発明により、情報の記録・消去を安定して行うことができ、比較的簡単な製造方法で容易に製造することができる記憶装置を構成することができる。
また、記憶装置の高集積化(高密度化)や小型化を図ることができる。
Therefore, according to the present invention, information can be stably recorded and erased, and a storage device that can be easily manufactured by a relatively simple manufacturing method can be configured.
In addition, the storage device can be highly integrated (densified) and downsized.

本発明の一実施の形態として、記憶素子の概略構成図(断面図)を図1に示す。
この記憶素子10は、高電気伝導度の基板1、例えばP型の高濃度の不純物がドープされた(P++の)シリコン基板1上に下部電極2が形成され、この下部電極2上にCu,Ag,Zn及びTe,S,Seのうちのいずれかの元素が含有された 、イオン源層3が形成され、その上に記憶用薄膜(記憶層)4が形成され、この記憶用薄膜4上の絶縁層5に形成された開口を通じて記憶用薄膜4に接続するように上部電極6が形成されて構成されている。
As an embodiment of the present invention, a schematic configuration diagram (cross-sectional view) of a memory element is shown in FIG.
In this memory element 10, a lower electrode 2 is formed on a substrate 1 having a high electrical conductivity, for example, a P-type high concentration impurity doped (P ++ ) silicon substrate 1, and a Cu electrode is formed on the lower electrode 2. , Ag, Zn and any element of Te, S, Se are formed, the ion source layer 3 is formed, and the memory thin film (memory layer) 4 is formed thereon, and this memory thin film 4 An upper electrode 6 is formed so as to be connected to the memory thin film 4 through an opening formed in the upper insulating layer 5.

本実施の形態の記憶素子10では、特に、イオン源層3に、上述したCu,Ag,Zn及びTe,S,Seの他に、さらにボロンBを含有させた構成とする。
また、ボロンBを含有させる代わりに、イオン源層3に希土類元素及びシリコンSiを含有させた構成としてもよい。希土類元素としては、La,Ce,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Yb,Y等、各種希土類元素をイオン源層3に含有させることができる。
なお、ボロンBと、希土類元素或いはシリコンSiのいずれかの合わせて2種類の元素をイオン源層3に含有させてもよく、またこれら3種類(ボロンB・希土類元素・シリコンSi)をイオン源層3に含有させてもよい。
イオン源層3にこれらの元素を含有させることにより、熱処理に対する記憶素子の安定性、即ち耐熱性を向上することができる。
In the memory element 10 of this embodiment, in particular, the ion source layer 3 is configured to further contain boron B in addition to the above-described Cu, Ag, Zn, and Te, S, Se.
Instead of containing boron B, the ion source layer 3 may contain a rare earth element and silicon Si. As the rare earth elements, various rare earth elements such as La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Yb, and Y can be contained in the ion source layer 3.
Note that two types of elements including boron B and rare earth elements or silicon Si may be included in the ion source layer 3, and these three types (boron B, rare earth elements, silicon Si) may be included in the ion source. It may be contained in the layer 3.
By containing these elements in the ion source layer 3, the stability of the memory element against heat treatment, that is, the heat resistance can be improved.

下部電極2には、半導体プロセスに用いられる配線材料、例えばTiW,Ti,W,WN,Cu,Al,Mo,Ta,TaN、シリサイド等を用いることができる。
この下部電極2に、例えばTiW膜を用いた場合には、膜厚を例えば10nm〜100nmの範囲にすればよい。
For the lower electrode 2, a wiring material used in a semiconductor process, for example, TiW, Ti, W, WN, Cu, Al, Mo, Ta, TaN, silicide, or the like can be used.
When a TiW film, for example, is used for the lower electrode 2, the film thickness may be in the range of 10 nm to 100 nm, for example.

また、イオン源層3には、Cu,Ag,Znの少なくともいずれか、さらに、Te,Se,Sのカルコゲナイド元素の少なくともいずれかを含有する、CuTe,GeSbTe,CuGeTe,AgGeTe、AgTe,ZnTe,ZnGeTe,CuS,CuGeS,CuSe,CuGeSe等に、さらに、ボロン、或いは希土類元素及びシリコンが、含有された膜を用いてイオン源層3を構成することができる。
このイオン源層3に、例えば、CuGeTeBGd膜を用いた場合には、膜厚を例えば5nm〜50nmにすればよい。
The ion source layer 3 includes at least one of Cu, Ag, Zn, and at least one of Te, Se, S chalcogenide elements, CuTe, GeSbTe, CuGeTe, AgGeTe, AgTe, ZnTe, ZnGeTe. , CuS, CuGeS, CuSe, CuGeSe, etc., and further, boron, or a rare earth element and silicon can be used to form the ion source layer 3.
For example, when a CuGeTeBGd film is used for the ion source layer 3, the film thickness may be set to 5 nm to 50 nm, for example.

記憶用薄膜(記憶層)4は、高抵抗、1つの目安として、選択MOSトランジスタのON抵抗の倍以上であればメモリ動作としては問題なく、絶縁体薄膜、或いは半導電体膜が用いられ、例えば、希土類酸化膜、希土類窒化膜、酸化珪素膜、窒化珪素膜等が用いられる。
この記憶用薄膜4は、0.5nm以上、10nm以下の膜厚で形成する。このような膜厚で記憶用薄膜4を形成することにより、アモルファス状態を高温で安定して形成することができ、抵抗値を高くして安定させることができる。これにより、後述する実験7に示すように、安定した記録動作が可能になる。
また、希土類酸化物薄膜等の材料は、通常絶縁膜であるため、膜厚を、例えば5nm以下と、極めて薄くすることで、半導電体状態とすることが可能になる。
The memory thin film (memory layer) 4 has a high resistance, and as a guide, if it is more than twice the ON resistance of the selection MOS transistor, there is no problem in the memory operation, and an insulating thin film or a semiconductive film is used. For example, a rare earth oxide film, a rare earth nitride film, a silicon oxide film, a silicon nitride film, or the like is used.
This memory thin film 4 is formed with a film thickness of 0.5 nm or more and 10 nm or less. By forming the memory thin film 4 with such a film thickness, the amorphous state can be stably formed at a high temperature, and the resistance value can be increased and stabilized. As a result, as shown in Experiment 7 to be described later, a stable recording operation can be performed.
In addition, since a material such as a rare earth oxide thin film is usually an insulating film, a semiconductive state can be obtained by making the film thickness extremely thin, for example, 5 nm or less.

また、この記憶用薄膜4における酸素の組成は、通常は希土類元素(RE)に対してREという組成を形成するが、ここでは、アモルファス膜であって、半導体領域の導電率以下の電気的性質を有していれば充分であるので、必ずしも、このような組成に限定されず、例えば、REOx(0.5<x≦1.5)でも構わない。 Further, the composition of oxygen in the memory thin film 4 is usually a composition of RE 2 O 3 with respect to the rare earth element (RE), but here it is an amorphous film having a conductivity lower than that of the semiconductor region. Since it is sufficient if it has electrical properties, it is not necessarily limited to such a composition. For example, REOx (0.5 <x ≦ 1.5) may be used.

また、この記憶用薄膜4には、例えば、Ge、Sb,Ti,W,Cu,Ag,Zn,Fe,Co,P,N,H,Te,S,Se等の、希土類元素以外の元素が予め含有されていても構わない。   In addition, the memory thin film 4 includes elements other than rare earth elements such as Ge, Sb, Ti, W, Cu, Ag, Zn, Fe, Co, P, N, H, Te, S, and Se. It may be contained in advance.

上述した材料からなる記憶用薄膜4は、電圧パルス或いは電流パルスが印加されることにより、インピーダンス(抵抗値)が変化する特性を有する。   The memory thin film 4 made of the above-described material has a characteristic that the impedance (resistance value) changes when a voltage pulse or a current pulse is applied.

絶縁層5には、例えばハードキュア処理されたフォトレジスト、半導体装置に一般的に用いられるSiOやSi、その他の材料、例えばSiON,SiOF,Al,Ta,HfO,ZrO等の無機材料、フッ素系有機材料、芳香族系有機材料等を用いることができる。
上部電極6には、下部電極2と同様、通常の半導体配線材料が用いられる。
なお、図1に示す記憶素子10では、イオン源層3の上に記憶用薄膜4が形成されているが、記憶用薄膜4の上にイオン源層3を形成してもよい。
また、記憶用薄膜4上に直接電極層を積層して、所定のパターンにパターニングすることによって上部電極6を形成してもよい。
The insulating layer 5 includes, for example, a hard-cured photoresist, SiO 2 or Si 3 N 4 generally used for semiconductor devices, and other materials such as SiON, SiOF, Al 2 O 3 , Ta 2 O 5 , Inorganic materials such as HfO 2 and ZrO 2 , fluorine organic materials, aromatic organic materials, and the like can be used.
As with the lower electrode 2, a normal semiconductor wiring material is used for the upper electrode 6.
In the memory element 10 shown in FIG. 1, the memory thin film 4 is formed on the ion source layer 3, but the ion source layer 3 may be formed on the memory thin film 4.
Alternatively, the upper electrode 6 may be formed by laminating an electrode layer directly on the memory thin film 4 and patterning it in a predetermined pattern.

本実施の形態の記憶素子10は、次のように動作させて、情報の記憶を行うことができる。   The storage element 10 of this embodiment can be operated as follows to store information.

まず、Cu,Ag,Znが含まれたイオン源層3に、例えば正電位(+電位)を印加して、上部電極6側が負になるように、記憶素子10に対して正電圧を印加する。これにより、イオン源層3からCu,Ag,Znがイオン化して、記憶用薄膜4内を拡散していき、上部電極6側で電子と結合して析出する、或いは、記憶用薄膜4内部に拡散した状態で留まる。
すると、記憶用薄膜4内部にCu,Ag,Znを多量に含む電流パスが形成される、もしくは、記憶用薄膜4内部にCu,Ag,Znによる欠陥が多数形成されることによって、記憶用薄膜4の抵抗値が低くなる。記憶用薄膜4以外の各層は、記憶用薄膜4の記録前の抵抗値に比べて、元々抵抗値が低いので、記憶用薄膜4の抵抗値を低くすることにより、記憶素子10全体の抵抗値も低くすることができる。
First, for example, a positive potential (+ potential) is applied to the ion source layer 3 containing Cu, Ag, and Zn, and a positive voltage is applied to the memory element 10 so that the upper electrode 6 side becomes negative. . As a result, Cu, Ag, Zn is ionized from the ion source layer 3 and diffuses in the memory thin film 4, and is combined with electrons on the upper electrode 6 side to be deposited, or in the memory thin film 4. Stays diffuse.
Then, a current path containing a large amount of Cu, Ag, Zn is formed inside the memory thin film 4 or a large number of defects due to Cu, Ag, Zn are formed inside the memory thin film 4, so that the memory thin film The resistance value of 4 becomes low. Each layer other than the memory thin film 4 originally has a lower resistance value than the resistance value of the memory thin film 4 before recording. Therefore, by reducing the resistance value of the memory thin film 4, the resistance value of the memory element 10 as a whole is reduced. Can also be lowered.

その後、正電圧を除去して、記憶素子10にかかる電圧をなくすと、抵抗値が低くなった状態で保持される。これにより、情報を記録することが可能になる。一度だけ記録が可能な記憶装置、いわゆる、PROMに用いる場合には、前記の記録過程のみで記録は完結する。   After that, when the positive voltage is removed and the voltage applied to the memory element 10 is eliminated, the resistance value is kept low. This makes it possible to record information. When used in a storage device that can be recorded only once, so-called PROM, the recording is completed only by the recording process.

一方、消去が可能な記憶装置、いわゆる、RAM或いはEEPROM等への応用には、消去過程が必要であるが、消去過程においては、Cu,Ag,Znが含まれたイオン源層3に、例えば負電位(−電位)を印加して、上部電極6側が正になるように、記憶素子10に対して負電圧を印加する。これにより、記憶用薄膜4内に形成されていた電流パス或いは不純物準位を構成するCu,Ag,Znがイオン化して、記憶用薄膜4内を移動してイオン源層3側に戻る。
すると、記憶用薄膜4内からCu,Ag,Znによる電流パス、もしくは、欠陥が消滅して、記憶用薄膜4の抵抗値が高くなる。記憶用薄膜4以外の各層は元々抵抗値が低いので、記憶用薄膜4の抵抗値を高くすることにより、記憶素子10全体の抵抗値も高くすることができる。
その後、負電圧を除去して、記憶素子10にかかる電圧をなくすと、抵抗値が高くなった状態で保持される。これにより、記録された情報を消去することが可能になる。
On the other hand, an erasing process is necessary for application to a erasable storage device, so-called RAM or EEPROM, etc., but in the erasing process, for example, an ion source layer 3 containing Cu, Ag, Zn is formed on the ion source layer 3. A negative potential (−potential) is applied, and a negative voltage is applied to the memory element 10 so that the upper electrode 6 side becomes positive. As a result, Cu, Ag, and Zn constituting the current path or impurity level formed in the memory thin film 4 are ionized, move in the memory thin film 4, and return to the ion source layer 3 side.
Then, the current path or defect due to Cu, Ag, Zn disappears from the memory thin film 4, and the resistance value of the memory thin film 4 increases. Since each layer other than the memory thin film 4 originally has a low resistance value, the resistance value of the memory element 10 as a whole can be increased by increasing the resistance value of the memory thin film 4.
After that, when the negative voltage is removed and the voltage applied to the memory element 10 is eliminated, the resistance value is kept high. As a result, the recorded information can be erased.

このような過程を繰り返すことにより、記憶素子10に情報の記録(書き込み)と記録された情報の消去を繰り返し行うことができる。   By repeating such a process, it is possible to repeatedly record (write) information on the storage element 10 and erase the recorded information.

また、特に、イオン源層3が、上述の金属元素(Cu,Ag,Zn)に加えて、Te,S,Seから選ばれる元素即ちカルコゲン元素を含むことにより、イオン源層3内の金属元素(Cu,Ag,Zn)とカルコゲン元素(Te,S,Se)とが結合し、金属カルコゲナイド層を形成する。この金属カルコゲナイド層は、主に非晶質構造を有しており、例えば、金属カルコゲナイド層から成るイオン源層3に接する下部電極2側に正電位を印加すると、金属カルコゲナイド層に含まれる金属元素(Cu,Ag,Zn)がイオン化して、高抵抗を呈する記憶用薄膜4中に拡散し、上部電極6側の一部で電子と結合して析出することにより、或いは、記憶用薄膜4中に留まり絶縁膜の不純物準位を形成することによって、記憶用薄膜4の抵抗が低くなり、これにより情報の記録を行うことが可能になる。
この状態から、金属カルコゲナイド層から成るイオン源層3に接する下部電極2側に負電位を印加すると、上部電極6側に析出していた金属元素(Cu,Ag,Zn)が再びイオン化して、金属カルコゲナイド層に戻ることによることによって、記憶用薄膜4の抵抗が元の高い状態に戻り、記憶素子10の抵抗も高くなるので、これにより記録した情報の消去を行うことが可能になる。
In particular, the ion source layer 3 contains an element selected from Te, S, Se, that is, a chalcogen element in addition to the above-described metal elements (Cu, Ag, Zn), so that the metal element in the ion source layer 3 is obtained. (Cu, Ag, Zn) and a chalcogen element (Te, S, Se) are combined to form a metal chalcogenide layer. The metal chalcogenide layer mainly has an amorphous structure. For example, when a positive potential is applied to the side of the lower electrode 2 in contact with the ion source layer 3 made of the metal chalcogenide layer, the metal element contained in the metal chalcogenide layer (Cu, Ag, Zn) is ionized and diffused into the memory thin film 4 exhibiting high resistance, and is combined with the electrons and deposited on a part of the upper electrode 6 side, or in the memory thin film 4 By forming the impurity level of the insulating film, the resistance of the memory thin film 4 is lowered, and information can be recorded.
From this state, when a negative potential is applied to the lower electrode 2 side in contact with the ion source layer 3 made of a metal chalcogenide layer, the metal elements (Cu, Ag, Zn) deposited on the upper electrode 6 side are ionized again, By returning to the metal chalcogenide layer, the resistance of the memory thin film 4 returns to the original high state, and the resistance of the memory element 10 is also increased, so that the recorded information can be erased.

そして、例えば、抵抗値の高い状態を「0」の情報に、抵抗値の低い状態を「1」の情報に、それぞれ対応させると、正電圧の印加による情報の記録過程で「0」から「1」に変え、負電圧の印加による情報の消去過程で「1」から「0」に変えることができる。   For example, if a state with a high resistance value is associated with information “0” and a state with a low resistance value is associated with information “1”, the information recording process by applying a positive voltage changes from “0” to “ It can be changed from “1” to “0” in the process of erasing information by applying a negative voltage.

なお、記憶用薄膜4は、記録前の初期状態は高抵抗であるのが一般的であるが、プロセス工程でのプラズマ処理、アニール処理等によって、初期に記録状態である低抵抗を呈していても構わない。
記録後の抵抗値は、記憶素子10のセルサイズ及び記憶用薄膜4の材料組成よりも、記録時に印加される電圧パルス或いは電流パルスの幅や電流量等の記録条件に依存し、初期抵抗値が100kΩ以上の場合には、およそ50Ω〜50kΩの範囲となる。
記録データを復調するためには、初期の抵抗値と記録後の抵抗値との比が、およそ、2倍以上であれば充分であるので、記録前の抵抗値が100Ωで、記録後の抵抗値が50Ω、或いは、記録前の抵抗値が100kΩ、記録後の抵抗値が50kΩといった状況であれば充分であり、記憶用薄膜4の初期の抵抗値はそのような条件を満たすように設定される。記憶用薄膜4の抵抗値は、例えば、酸素濃度、膜厚、面積、さらには、不純物材料の添加によって調整することが可能である。
The memory thin film 4 generally has a high resistance in the initial state before recording. However, the memory thin film 4 exhibits a low resistance in the initial recording state by plasma treatment, annealing treatment, or the like in the process step. It doesn't matter.
The resistance value after recording depends on the recording conditions such as the voltage pulse or current pulse width and current amount applied during recording rather than the cell size of the memory element 10 and the material composition of the memory thin film 4, and the initial resistance value. Is 100 kΩ or more, the range is approximately 50Ω to 50 kΩ.
In order to demodulate the recording data, it is sufficient that the ratio of the initial resistance value to the resistance value after recording is approximately twice or more. Therefore, the resistance value before recording is 100Ω, and the resistance after recording is It is sufficient if the value is 50Ω, or the resistance value before recording is 100 kΩ, and the resistance value after recording is 50 kΩ, and the initial resistance value of the memory thin film 4 is set to satisfy such a condition. The The resistance value of the memory thin film 4 can be adjusted by, for example, oxygen concentration, film thickness, area, and addition of impurity materials.

上述の実施の形態の記憶素子10の構成によれば、下部電極2と上部電極6との間に、イオン源層3と、記憶用薄膜4とが挟まれた構成とすることにより、例えば、イオン源層3側に正電圧(+電位)を印加して、上部電極6側が負になるようにした場合に、記憶用薄膜4内に、Cu,Ag,Znを多量に含む電流パスが形成されて、或いは記憶用薄膜4内に、Cu,Ag,Znによる欠陥が多数形成されることによって、記憶用薄膜4の抵抗値が低くなり、記憶素子10全体の抵抗値が低くなる。そして、正電圧の印加を停止して、記憶素子10に電圧が印加されないようにすることで、抵抗値が低くなった状態が保持され、情報を記録することが可能になる。このような構成は、例えばPROM等の一度だけ記録が可能な記憶装置に用いることができる。   According to the configuration of the memory element 10 of the above-described embodiment, by adopting a configuration in which the ion source layer 3 and the memory thin film 4 are sandwiched between the lower electrode 2 and the upper electrode 6, for example, When a positive voltage (+ potential) is applied to the ion source layer 3 side so that the upper electrode 6 side becomes negative, a current path containing a large amount of Cu, Ag, and Zn is formed in the memory thin film 4. In addition, by forming a large number of defects due to Cu, Ag, and Zn in the memory thin film 4, the resistance value of the memory thin film 4 is lowered, and the resistance value of the entire memory element 10 is lowered. Then, by stopping the application of the positive voltage so that no voltage is applied to the memory element 10, the state in which the resistance value is low is maintained, and information can be recorded. Such a configuration can be used for a storage device capable of recording only once, such as a PROM.

そして、記憶素子10の抵抗値の変化、特に記憶用薄膜4の抵抗値の変化を利用して情報の記憶を行っているため、記憶素子10を微細化していった場合にも、情報の記録や記録した情報の保存が容易になる。   Since information is stored by utilizing a change in the resistance value of the memory element 10, in particular, a change in the resistance value of the memory thin film 4, even when the memory element 10 is miniaturized, information recording is performed. And storage of recorded information becomes easy.

また、例えば、RAMやEEPROM等の記録に加えて消去が可能な記憶装置に用いるような場合は、上述した記録後の状態の記憶素子10に対して、例えば、イオン源層3に負電圧(−電位)を印加して、上部電極6側が正になるようにする。これにより、記憶用薄膜4内に形成されていた、Cu,Ag,Znによる電流パス、或いは欠陥が消滅して、記憶用薄膜4の抵抗値が高くなり、記憶素子10全体の抵抗値が高くなる。そして、負電圧の印加を停止して、記憶素子10に電圧が印加されないようにすることで、抵抗値が高くなった状態が保持され、記録されていた情報を消去することが可能になる。   Further, for example, when used in a storage device that can be erased in addition to recording such as RAM and EEPROM, for example, a negative voltage ( -Potential) is applied so that the upper electrode 6 side becomes positive. As a result, the current path or defect due to Cu, Ag, Zn formed in the memory thin film 4 disappears, the resistance value of the memory thin film 4 increases, and the resistance value of the entire memory element 10 increases. Become. Then, by stopping the application of the negative voltage so that no voltage is applied to the memory element 10, the state in which the resistance value is increased is maintained, and the recorded information can be erased.

また、本実施の形態の記憶素子10によれば、イオン源層3にボロンBを含有させる、或いはイオン源層3に希土類元素及びシリコンSiを含有させることにより、イオン源層3を均一に非晶質構造、或いは、非常に粒子径が小さく均一な微結晶構造とすることができる。
このような構造となることにより、熱処理工程等で記憶素子10に熱が加わってもイオン源層3の微細構造が安定に保たれ、イオン源層3の膜の状態(表面状態等)が良好な状態で維持される。即ち、半導体プロセス、特に配線工程で必要とされる高温熱処理工程に対しても、イオン源層3の微細構造が安定に保たれる。
そして、イオン源層3の膜の状態(表面状態等)が良好な状態で維持されることにより、記憶用薄膜4にかかる電界の分布が均一になり、記憶素子10を高抵抗状態から低抵抗状態に変化させる際の電圧の閾値(スイッチング電圧)をバラツキが少なくすることができるため、繰り返して記録・消去を行っても均一な値とすることができる。
即ち、高温熱処理が施された後でも、イオン源層3及び記憶用薄膜(記憶層)4を良好な状態に保つことができ、記憶素子10の耐熱性を向上することができる。
In addition, according to the memory element 10 of the present embodiment, the ion source layer 3 can be made non-uniform by making the ion source layer 3 contain boron B or by making the ion source layer 3 contain rare earth elements and silicon Si. A crystalline structure or a uniform microcrystalline structure with a very small particle size can be obtained.
With such a structure, even if heat is applied to the memory element 10 in a heat treatment process or the like, the fine structure of the ion source layer 3 is kept stable, and the film state (surface state, etc.) of the ion source layer 3 is good. Is maintained in a stable state. That is, the fine structure of the ion source layer 3 can be kept stable even in a high temperature heat treatment process required in a semiconductor process, particularly in a wiring process.
Then, by maintaining the film state (surface state, etc.) of the ion source layer 3 in a good state, the distribution of the electric field applied to the memory thin film 4 becomes uniform, and the memory element 10 is changed from the high resistance state to the low resistance state. Since the threshold value (switching voltage) of the voltage at the time of changing to a state can be reduced, a uniform value can be obtained even if recording / erasing is repeated.
That is, even after the high temperature heat treatment is performed, the ion source layer 3 and the memory thin film (memory layer) 4 can be kept in a good state, and the heat resistance of the memory element 10 can be improved.

また、本実施の形態の記憶素子10によれば、下部電極2、イオン源層3、記憶用薄膜4、上部電極6を、いずれもスパッタリングが可能な材料で構成することが可能である。例えば、各層の材料に適応した組成からなるターゲットを用いて、スパッタリングを行えばよい。
また、同一のスパッタリング装置内で、ターゲットを交換することにより、連続して成膜することも可能である。
Further, according to the memory element 10 of the present embodiment, the lower electrode 2, the ion source layer 3, the memory thin film 4, and the upper electrode 6 can all be made of a material that can be sputtered. For example, sputtering may be performed using a target having a composition suitable for the material of each layer.
In addition, it is possible to continuously form a film by exchanging the target in the same sputtering apparatus.

なお、上述した実施の形態の記憶素子10において、記憶用薄膜4として、その一部分に希土類元素の酸化物からなる膜(希土類酸化物薄膜)が形成された構成とする場合、この酸化物薄膜は、酸化物のスパッタリングターゲットを用いる方法や、金属ターゲットを用いて、スパッタリング中に導入ガスとしてアルゴン等の不活性ガスと共に酸素を導入する方法、いわゆる反応性スパッタリング等の方法を用いることにより形成することが可能である。
さらに、スパッタリングの他、CVD法、或いは蒸着法等の方法によっても酸化物薄膜を形成することが可能である他、成膜時には金属状態であって、その後に、熱酸化或いは薬品処理等の手法によって酸化物薄膜を形成することも可能である。
In the memory element 10 of the above-described embodiment, when the memory thin film 4 has a configuration in which a film made of an oxide of a rare earth element (rare earth oxide thin film) is formed in a part thereof, the oxide thin film It is formed by using a method using a sputtering target of an oxide, a method using a metal target, introducing oxygen together with an inert gas such as argon during sputtering, a method such as so-called reactive sputtering. Is possible.
Furthermore, in addition to sputtering, an oxide thin film can be formed by a method such as CVD or vapor deposition. In addition, the film is in a metal state at the time of film formation, and thereafter a method such as thermal oxidation or chemical treatment. It is also possible to form an oxide thin film.

図1の記憶素子10は、例えば次のようにして製造することができる。
まず、電気伝導度の高い基板1、例えば高濃度のP型の不純物がドープされたシリコン基板上に、下部電極2、例えば、TaN膜を堆積する。
The memory element 10 of FIG. 1 can be manufactured as follows, for example.
First, a lower electrode 2, for example, a TaN film is deposited on a substrate 1 having high electrical conductivity, for example, a silicon substrate doped with a high concentration of P-type impurities.

次に、イオン源層3、例えばCuTeGeBSiGd膜を形成し、その後に記憶用薄膜4、例えばGd膜を形成する。 Next, an ion source layer 3, for example, a CuTeGeBSiGd film is formed, and then a memory thin film 4, for example, a Gd 2 O 3 film is formed.

その後に、記憶用薄膜4を覆うように絶縁層5を形成するが、フォトリソグラフィによって、絶縁層5の一部を除去し、記憶用薄膜4へのコンタクト部を形成する。   Thereafter, the insulating layer 5 is formed so as to cover the memory thin film 4, but a part of the insulating layer 5 is removed by photolithography to form a contact portion to the memory thin film 4.

続いて、例えばマグネトロンスパッタリング装置によって、上部電極6として、例えばW膜を成膜する。
その後、W膜を、例えばプラズマエッチング等によりパターニングする。プラズマエッチングの他には、イオンミリング、RIE(反応性イオンエッチング)等のエッチング方法を用いてパターニングを行うことができる。
このようにして、図1に示した記憶素子10を製造することができる。
Subsequently, for example, a W film is formed as the upper electrode 6 by, for example, a magnetron sputtering apparatus.
Thereafter, the W film is patterned by, for example, plasma etching. Besides plasma etching, patterning can be performed using an etching method such as ion milling or RIE (reactive ion etching).
In this way, the memory element 10 shown in FIG. 1 can be manufactured.

上述した実施の形態の記憶素子10を用いて、記憶素子10を多数、例えば列状やマトリクス状に配置することにより、記憶装置(メモリ)を構成することができる。
各記憶素子10に対して、その下部電極2側に接続された配線と、その上部電極6側に接続された配線とを設け、例えばこれらの配線の交差点付近に各記憶素子10が配置されるようにすればよい。
By using the memory element 10 of the above-described embodiment and arranging a large number of memory elements 10 in, for example, a column shape or a matrix shape, a memory device (memory) can be configured.
For each memory element 10, a wiring connected to the lower electrode 2 side and a wiring connected to the upper electrode 6 side are provided. For example, each memory element 10 is arranged near the intersection of these wirings. What should I do?

具体的には、例えば下部電極2を行方向のメモリセルに共通して形成し、上部電極6に接続された配線を列方向のメモリセルに共通して形成し、電位を印加して電流を流す下部電極2と配線とを選択することにより、記録を行うべきメモリセルを選択して、このメモリセルの記憶素子10に電流を流して、情報の記録や記録した情報の消去を行うことができる。   Specifically, for example, the lower electrode 2 is formed in common in the memory cell in the row direction, the wiring connected to the upper electrode 6 is formed in common in the memory cell in the column direction, and a current is applied by applying a potential. By selecting the lower electrode 2 and the wiring to be flown, a memory cell to be recorded is selected, and a current is passed through the memory element 10 of this memory cell to record information or erase the recorded information. it can.

そして、上述した実施の形態の記憶素子10は、容易にかつ安定して情報の記録及び情報の読み出しを行うことができ、特に、高温環境下及び長期のデータ保持安定性に優れた特性を有する。
また、上述した実施の形態の記憶素子10は、微細化していった場合においても、情報の記録や記録した情報の保持が容易になる。
従って、上述した実施の形態の記憶素子10を用いて記憶装置を構成することにより、記憶装置の集積化(高密度化)や小型化を図ることができる。
The storage element 10 according to the above-described embodiment can easily and stably record information and read information, and has particularly excellent characteristics in high temperature environment and long-term data retention stability. .
Further, even when the memory element 10 according to the above-described embodiment is miniaturized, it becomes easy to record information and hold the recorded information.
Therefore, by configuring the storage device using the storage element 10 of the above-described embodiment, the storage device can be integrated (high density) or downsized.

(実施例)
次に、本発明に係る記憶素子の積層膜を作製して、その特性を調べた。
(Example)
Next, a laminated film of the memory element according to the present invention was produced and the characteristics thereof were examined.

(X線回折による構造解析)
基板としてのシリコンウエハの上に、下部電極、イオン源層、記憶用薄膜の各層を形成して、記憶素子を構成する積層膜を作製した。
まず、下部電極として膜厚20nmのTaN膜、イオン源層として膜厚20nmのCu53Te28Ge12Gd膜(数字は原子%)、記憶用薄膜として膜厚2.4nmのGdをそれぞれ形成して、サンプル1の積層膜とした。
次に、下部電極として膜厚20nmのTaN膜、イオン源層として膜厚20nmのCu44Te25GeGdSi14膜(数字は原子%)、記憶用薄膜として膜厚2.4nmのGdをそれぞれ形成して、サンプル2の積層膜とした。
次に、下部電極として膜厚20nmのTaN膜、イオン源層として膜厚20nmのCu45Te27GeGdSi15膜、記憶用薄膜として膜厚2.4nmのGdをそれぞれ形成して、サンプル3の積層膜とした。
次に、下部電極として膜厚20nmのTaN膜、イオン源層として膜厚20nmのCu45Te27GeSi15膜(数字は原子%)、記憶用薄膜として膜厚2.4nmのGdをそれぞれ形成して、サンプル4の積層膜とした。
次に、下部電極として膜厚20nmのTaN膜、イオン源層として膜厚20nmのCu42Te24GeGdSi14膜(数字は原子%)、記憶用薄膜として膜厚2.4nmのGdをそれぞれ形成して、サンプル5の積層膜とした。
これらの積層膜のサンプルは、積層膜を成膜した状態でパターニングは行っていない。
これらのサンプルのうち、サンプル2〜サンプル5は本発明の記憶素子の構成(実施例)であり、サンプル1は本発明に対する比較例の構成である。
(Structural analysis by X-ray diffraction)
On the silicon wafer as the substrate, the lower electrode, the ion source layer, and the memory thin film were formed to form a laminated film constituting the memory element.
First, a TaN film with a thickness of 20 nm as a lower electrode, a Cu 53 Te 28 Ge 12 Gd 7 film with a thickness of 20 nm as an ion source layer (numbers are atomic%), and a Gd 2 O 3 film with a thickness of 2.4 nm as a memory thin film. To form a laminated film of Sample 1.
Next, a TaN film with a thickness of 20 nm as a lower electrode, a Cu 44 Te 25 Ge 6 Gd 6 Si 14 B 5 film with a thickness of 20 nm as an ion source layer (numbers are atomic%), and a film thickness of 2.4 nm as a memory thin film. Each of Gd 2 O 3 was formed as a laminated film of Sample 2.
Next, a 20 nm thick TaN film is formed as the lower electrode, a 20 nm thick Cu 45 Te 27 Ge 7 Gd 6 Si 15 film is formed as the ion source layer, and a 2.4 nm thick Gd 2 O 3 film is formed as the memory thin film. Thus, a laminated film of Sample 3 was obtained.
Next, a 20 nm thick TaN film as the lower electrode, a 20 nm thick Cu 45 Te 27 Ge 7 Si 15 B 6 film (number is atomic%) as the ion source layer, and a 2.4 nm thick Gd as the memory thin film. 2 O 3 was formed to form a laminated film of Sample 4.
Next, TaN film having a thickness 20nm as the lower electrode, the ion source layer as the thickness 20nm of Cu 42 Te 24 Ge 6 Gd 6 Si 14 B 8 film (numeral atomic%), the film thickness as the memory thin 2.4nm Each of Gd 2 O 3 was formed as a laminated film of Sample 5.
These laminated film samples are not patterned in a state where the laminated film is formed.
Among these samples, Sample 2 to Sample 5 are configurations (examples) of the memory element of the present invention, and Sample 1 is a configuration of a comparative example for the present invention.

次に、サンプル1の積層膜について、成膜直後と、記憶用薄膜を成膜した後に、いったん真空に排気してから窒素雰囲気に置換して、280℃1時間の窒素雰囲気中の熱処理を施した後に、それぞれ、X線回折装置を用いてX線回折強度を測定し、AFM(Atomic Force Microscope :原子間力顕微鏡)を用いて膜の表面粗度Raを測定した。
X線回折の測定結果を図2に示す。
Next, with respect to the laminated film of Sample 1, immediately after the film formation and after the memory thin film was formed, the film was evacuated and then replaced with a nitrogen atmosphere, and heat treatment was performed in a nitrogen atmosphere at 280 ° C. for 1 hour. Thereafter, the X-ray diffraction intensity was measured using an X-ray diffractometer, and the surface roughness Ra of the film was measured using an AFM (Atomic Force Microscope).
The measurement result of X-ray diffraction is shown in FIG.

図2より、成膜直後は特定角度のピークが現れず、熱処理を施した後には、ピークが見られ、結晶化により膜の微細構造が変化していることがわかる。
また、膜の表面粗度Raは、成膜直後で0.23nmであるのに対し、熱処理後では0.35nmと大きくなっており、熱処理により局所的に結晶化が促進されることによって、微細構造が局所的に変化し、それに伴い微細な表面形状も変化したものと考えられる。
なお、比較参考データとして、表面に自然酸化皮膜が形成されたシリコンウエハ表面の表面粗度Raを測定したところ、0.14nmであった。
From FIG. 2, it can be seen that a peak at a specific angle does not appear immediately after the film formation, but a peak is observed after the heat treatment, and the fine structure of the film is changed by crystallization.
Further, the surface roughness Ra of the film is 0.23 nm immediately after the film formation, and is as large as 0.35 nm after the heat treatment. It is considered that the structure locally changed and the fine surface shape changed accordingly.
As comparative reference data, the surface roughness Ra of the silicon wafer surface having a natural oxide film formed on the surface was measured and found to be 0.14 nm.

次に、サンプル2の積層膜について、成膜直後の試料(2A)と、TMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液)に浸した後に400℃・1時間の窒素雰囲気中熱処理を施した試料(2B)と、薬品処理をせずに400℃・1時間の窒素雰囲気中熱処理を施した試料(2C)とを作製し、それぞれの試料について、X線回折装置を用いてX線回折強度を測定し、AFMを用いて膜の表面粗度Raを測定した。
測定結果を図3に示す。図3ではX線回折強度の右側に試料名(2A〜2C)と表面粗度Raの測定値を記載している。
Next, with respect to the laminated film of sample 2, the sample (2A) immediately after film formation and the sample (2B) subjected to heat treatment in a nitrogen atmosphere at 400 ° C. for 1 hour after being immersed in TMAH (tetramethylammonium hydroxide aqueous solution) And a sample (2C) that was heat-treated in a nitrogen atmosphere at 400 ° C. for 1 hour without chemical treatment, and for each sample, the X-ray diffraction intensity was measured using an X-ray diffractometer, The surface roughness Ra of the film was measured using AFM.
The measurement results are shown in FIG. In FIG. 3, the sample name (2A to 2C) and the measured value of the surface roughness Ra are shown on the right side of the X-ray diffraction intensity.

図3より、400℃の窒素雰囲気中熱処理を施した試料2Cは、図2のサンプル1と比較して熱処理温度が高温であるのにもかかわらず、X線回折ピークが見られず、アモルファス構造を維持していることがわかる。表面粗度Raについても、成膜直後の試料2Aと同程度の非常に良好な値が得られている。
これにより、例えば、素子サイズが50nm程度以下に微細化された場合においても、膜微細構造が変化して特性が劣化する問題を生じないことが予想される。
また、薬品処理を施した試料2Bでは、成膜直後の試料2Aよりも表面粗度Raが改善されており、例えば、薬品による酸化・還元反応を実施した後に、熱処理を施すことによって、表面性を改善することが可能である。
As shown in FIG. 3, the sample 2C subjected to the heat treatment in a nitrogen atmosphere at 400 ° C. does not show an X-ray diffraction peak even though the heat treatment temperature is higher than that of the sample 1 in FIG. It can be seen that Also for the surface roughness Ra, a very good value comparable to that of the sample 2A immediately after film formation is obtained.
Thereby, for example, even when the element size is miniaturized to about 50 nm or less, it is expected that the problem of deterioration of characteristics due to change of the film microstructure does not occur.
Further, in the sample 2B subjected to the chemical treatment, the surface roughness Ra is improved as compared with the sample 2A immediately after the film formation. For example, the surface property can be improved by performing the heat treatment after performing the oxidation / reduction reaction with the chemical. It is possible to improve.

次に、サンプル3〜サンプル5の積層膜について、400℃・1時間の窒素雰囲気中熱処理を施した試料を作製し、それぞれ、X線回折装置を用いてX線回折強度を測定し、AFMを用いて膜の表面粗度Raを測定した。
測定結果を図4に示す。図4ではX線回折強度の右側にサンプル番号(No.3〜No.5)と表面粗度Raの測定値を記載している。
Next, for the laminated films of Sample 3 to Sample 5, samples that were heat-treated in a nitrogen atmosphere at 400 ° C. for 1 hour were prepared, and the X-ray diffraction intensity was measured using an X-ray diffractometer, respectively. The surface roughness Ra of the film was measured.
The measurement results are shown in FIG. In FIG. 4, sample numbers (No. 3 to No. 5) and measured values of the surface roughness Ra are shown on the right side of the X-ray diffraction intensity.

図4より、サンプル3では、CuTeを主成分とするイオン源層へ希土類元素とシリコン、さらにボロンBを添加することによって、高温熱処理後における結晶化の促進を抑制できることがわかる。
サンプル4は、X線回折ピークが現れているが、400℃という熱処理温度の高さと表面粗度Raの値とを考慮すると、図2に示したサンプル1と比較して、高温安定性が改善されていることがわかる。
また、サンプル5も、ブロードなX線回折ピークが現れているが、これは、ボロンによる微小結晶によるものであり、熱処理後の表面粗度Raが極めて良好であることからしても、実用上問題ないと考えられる。
From FIG. 4, it can be seen that sample 3 can suppress the promotion of crystallization after high-temperature heat treatment by adding rare earth elements, silicon, and boron B to the ion source layer containing CuTe as the main component.
Sample 4 shows an X-ray diffraction peak, but considering the high heat treatment temperature of 400 ° C. and the value of surface roughness Ra, the high temperature stability is improved as compared with sample 1 shown in FIG. You can see that
Sample 5 also shows a broad X-ray diffraction peak, which is due to the microcrystals of boron, and the surface roughness Ra after heat treatment is very good. There seems to be no problem.

(透過型電子顕微鏡による膜断面構造の観察)
基板として自然酸化膜が表面に形成されたシリコン基板の上に、下部電極、イオン源層、記憶用薄膜の各層を形成して、記憶素子を構成する積層膜を作製した。
まず、下部電極として膜厚20nmのWN膜、イオン源層としてCu54Te32GeGd膜(数字は原子%)、記憶用薄膜として膜厚2.8nmのGdN膜をそれぞれ形成して、サンプル6の積層膜とした。
次に、下部電極として膜厚20nmのWN膜、イオン源層としてCu45Te27GeGd16膜(数字は原子%)、記憶用薄膜として膜厚2.8nmのGdN膜をそれぞれ形成して、サンプル7の積層膜とした。
次に、下部電極として膜厚20nmのWN膜、イオン源層としてCu39Te23GeGdSi1613膜、記憶用薄膜として膜厚2.8nmのGdN膜をそれぞれ形成して、サンプル8の積層膜とした。
これらの積層膜のサンプルは、積層膜を成膜した状態でパターニングは行っていない。また、イオン源層の膜厚は、25nm〜30nmの範囲内とした。
これらのサンプルのうち、サンプル7及びサンプル8は本発明の記憶素子の構成(実施例)であり、サンプル6は本発明に対する比較例の構成である。
これらサンプル6〜サンプル8の積層膜に対して、280℃・1時間の窒素雰囲気中熱処理を施した後に、それぞれ、透過型電子顕微鏡を用いて、積層膜の断面の観察を行うと共に電子線回折パターンを得た。
得られた電子線回折パターンを、図5A〜図5Cに示す。図5Aはサンプル6、図5Bはサンプル7、図5Cはサンプル8の各積層膜の電子線回折パターンを示している。
(Observation of the cross-sectional structure of the film with a transmission electron microscope)
On the silicon substrate on which a natural oxide film was formed as a substrate, the lower electrode, the ion source layer, and the memory thin film were formed to form a laminated film constituting the memory element.
First, a WN film having a thickness of 20 nm is formed as a lower electrode, a Cu 54 Te 32 Ge 8 Gd 6 film (number is atomic%) is formed as an ion source layer, and a GdN film having a thickness of 2.8 nm is formed as a memory thin film. A laminated film of Sample 6 was obtained.
Next, a WN film having a thickness of 20 nm is formed as a lower electrode, a Cu 45 Te 27 Ge 7 Gd 6 B 16 film (number is atomic%) is formed as an ion source layer, and a GdN film having a thickness of 2.8 nm is formed as a memory thin film. Thus, a laminated film of Sample 7 was obtained.
Next, a WN film having a thickness of 20 nm is formed as a lower electrode, a Cu 39 Te 23 Ge 6 Gd 5 Si 16 B 13 film is formed as an ion source layer, and a GdN film having a thickness of 2.8 nm is formed as a memory thin film. 8 laminated film.
These laminated film samples are not patterned in a state where the laminated film is formed. The film thickness of the ion source layer was set in the range of 25 nm to 30 nm.
Among these samples, Sample 7 and Sample 8 are configurations (examples) of the memory element of the present invention, and Sample 6 is a configuration of a comparative example for the present invention.
The laminated films of Sample 6 to Sample 8 were subjected to heat treatment in a nitrogen atmosphere at 280 ° C. for 1 hour, and then each of the laminated films was observed using a transmission electron microscope and electron diffraction was performed. Got a pattern.
The obtained electron diffraction patterns are shown in FIGS. 5A to 5C. 5A shows the electron diffraction pattern of each laminated film of Sample 6, FIG. 5B shows Sample 7, and FIG.

サンプル6は、断面の観察結果及び図5Aの電子線回折パターンより、イオン源層が結晶化しており、局所的な微細構造は均一ではないことがわかった。
これに対して、ボロンBが添加されたサンプル7は、断面の観察結果及び図5Bの電子線回折パターンより、微細構造が均一であり、電子線回折パターンがアモルファス構造特有の同心円状パターンであることがわかった。サンプル8についても、サンプル7と同様であった。
Sample 6 was found from the observation result of the cross section and the electron diffraction pattern of FIG. 5A that the ion source layer was crystallized and the local microstructure was not uniform.
On the other hand, the sample 7 to which boron B is added has a uniform fine structure based on the observation result of the cross section and the electron diffraction pattern of FIG. 5B, and the electron diffraction pattern is a concentric pattern peculiar to the amorphous structure. I understood it. Sample 8 was the same as sample 7.

次に、上述した実施の形態の記憶素子10を実際に作製して、その特性を調べた。   Next, the memory element 10 of the above-described embodiment was actually manufactured, and its characteristics were examined.

<実験1>
シリコン基板上に、下部電極2としてWN膜を20nmの膜厚で堆積し、その上にイオン源層3としてCu61Te21Ge膜を形成し、記憶用薄膜4としてGdN膜を2.5nmの膜厚で形成し、表面を覆ってフォトレジストを成膜し、その後、フォトリソグラフィ技術により露光と現像を行って記憶用薄膜4上のフォトレジストに開口(スルーホール)を形成した。
その後、いったん真空に排気してから窒素雰囲気に置換して、窒素雰囲気中においてアニール処理を行い、フォトレジストを変質させて、温度やエッチング等に対して安定なハードキュアレジストとして絶縁層5を形成した。なお、絶縁層5にハードキュアレジストを用いたのは、実験上簡便に形成できるためであり、製品を製造する場合においては、他の材料(例えばシリコン酸化膜等)を絶縁層5に用いた方がよい。
次いで、上部電極6としてW膜を90nmの膜厚で成膜した。その後、フォトリソグラフィ技術により、プラズマエッチング装置を用いて、ハードキュアレジストから成る絶縁層5上に堆積した上部電極6をパターニングした。また、記憶素子10の積層膜2,3,4を直径0.7μmの円形状にパターニングした。
このような構造の記憶素子10を作製して、サンプル9の試料の記憶素子とした。
<Experiment 1>
On the silicon substrate, a WN film is deposited as a lower electrode 2 to a thickness of 20 nm, a Cu 61 Te 21 Ge 5 B 8 film is formed thereon as an ion source layer 3, and a GdN film is formed as a memory thin film 4. A film was formed with a thickness of .5 nm, and a photoresist was formed to cover the surface. Thereafter, exposure and development were performed by a photolithography technique to form an opening (through hole) in the photoresist on the memory thin film 4.
After that, after evacuating to a vacuum, the atmosphere is replaced with a nitrogen atmosphere, annealing is performed in the nitrogen atmosphere, the photoresist is altered, and the insulating layer 5 is formed as a hard cure resist that is stable with respect to temperature and etching. did. The hard-cure resist is used for the insulating layer 5 because it can be easily formed experimentally. In the case of manufacturing a product, another material (for example, a silicon oxide film) is used for the insulating layer 5. Better.
Next, a W film having a thickness of 90 nm was formed as the upper electrode 6. Thereafter, the upper electrode 6 deposited on the insulating layer 5 made of a hard-cure resist was patterned by a photolithography technique using a plasma etching apparatus. Further, the laminated films 2, 3, and 4 of the memory element 10 were patterned into a circular shape having a diameter of 0.7 μm.
The memory element 10 having such a structure was manufactured and used as a sample memory element of Sample 9.

また、イオン源層3としてCu53Te21Ge20膜を形成し、その他はサンプル9と同様にして記憶素子10を作製して、サンプル10の試料の記憶素子とした。 Further, a Cu 53 Te 21 Ge 5 B 20 film was formed as the ion source layer 3, and a memory element 10 was produced in the same manner as in the sample 9 except that the memory element of the sample 10 was obtained.

これらサンプル9及びサンプル10の試料の記憶素子に対して、それぞれ、280℃で窒素雰囲気中熱処理を施した後、I−V特性を測定した。
I−V測定は以下のように行った。
各サンプルの記憶素子に対して、下部電極2と導通している低抵抗シリコン基板1の裏面を接地電位(グランド電位)に接続して、上部電極6に負電位(−電位)を印加した。
そして、上部電極6に印加する負電位を0Vから減少させて、電流の変化を測定した。ただし、電流が1mAに達した所で電流リミッタが動作するように設定しておいて、それ以上は上部電極6に印加する負電位、即ち記憶素子に加わる電圧の絶対値が増加しないように設定した。
また、電流が1mAに達して電流リミッタが動作した状態から、上部電極6に印加する負電位を0Vまで減少させていき、電流の変化を測定した。引き続き、今度は、逆に上部電極6に正電位を印加し、電流が減少し、電流が流れなくなるような電圧まで正電圧の印加を増加させた後に、再び0電位に戻す操作を行った。
このようにして得られたI−V特性の測定結果を図6A及び図6Bに示す。図6Aはサンプル9の測定結果を示し、図6Bはサンプル10の測定結果を示している。
Each of the memory elements of Sample 9 and Sample 10 was subjected to a heat treatment in a nitrogen atmosphere at 280 ° C., and then the IV characteristics were measured.
The IV measurement was performed as follows.
For the memory element of each sample, the back surface of the low-resistance silicon substrate 1 electrically connected to the lower electrode 2 was connected to the ground potential (ground potential), and a negative potential (−potential) was applied to the upper electrode 6.
Then, the negative potential applied to the upper electrode 6 was decreased from 0 V, and the change in current was measured. However, the current limiter is set to operate when the current reaches 1 mA, and beyond that, the negative potential applied to the upper electrode 6, that is, the absolute value of the voltage applied to the memory element is not increased. did.
Further, from the state where the current reached 1 mA and the current limiter was operated, the negative potential applied to the upper electrode 6 was decreased to 0 V, and the change in current was measured. Subsequently, this time, a positive potential was applied to the upper electrode 6, and the operation of returning the potential to 0 potential again was performed after increasing the application of the positive voltage to such a voltage that the current decreased and no current flowed.
The measurement results of the IV characteristics obtained in this way are shown in FIGS. 6A and 6B. 6A shows the measurement result of the sample 9, and FIG. 6B shows the measurement result of the sample 10. FIG.

図6A及び図6Bより、初期は抵抗値が高く、記憶素子がOFF状態であり、電圧が負方向に増加することにより、ある閾値電圧(Vth)以上のところで急激に電流が増加する。即ち、抵抗値が低くなって記憶素子がON状態へと遷移することがわかる。これにより、情報が記録されることがわかる。
一方、その後、電圧を減少させても、一定の抵抗値を保ったままである。即ち、記憶素子がON状態で保たれ、記録された情報が保持されることがわかる。
また、上述とは逆極性の電圧V、即ち基板1の裏面側を接地電位(グランド電位)に接続して、上部電極6にV=0.2V以上の正電位(+電位)を印加して、その後再び0Vに戻すことにより、記憶素子の抵抗値が初期のOFF状態の高抵抗の状態に戻ることが確認された。即ち記憶素子に記録した情報を、負電圧の印加により消去できることがわかる。
即ち、情報の記録及び消去を良好に行うことができることがわかった。
6A and 6B, the resistance value is initially high, the memory element is in the OFF state, and the voltage increases in the negative direction, so that the current increases rapidly at a certain threshold voltage (Vth) or higher. That is, it can be seen that the resistance value decreases and the memory element transitions to the ON state. Thereby, it is understood that information is recorded.
On the other hand, even if the voltage is decreased thereafter, a constant resistance value is maintained. That is, it can be seen that the storage element is kept in the ON state and the recorded information is held.
Further, a voltage V having a polarity opposite to that described above, that is, the back side of the substrate 1 is connected to a ground potential (ground potential), and a positive potential (+ potential) of V = 0.2 V or more is applied to the upper electrode 6. Then, it was confirmed that the resistance value of the memory element returned to the initial high resistance state in the OFF state by returning to 0 V again. That is, it can be seen that the information recorded in the memory element can be erased by applying a negative voltage.
That is, it was found that information can be recorded and erased satisfactorily.

<実験2>
イオン源層3としてCu61Te27GeGd膜を形成し、その他はサンプル9と同様にして記憶素子10を作製して、サンプル11の試料の記憶素子とした。
また、イオン源層3としてCu56Te25GeGd膜を形成し、その他はサンプル9と同様にして記憶素子10を作製して、サンプル12の試料の記憶素子とした。
また、イオン源層3としてCu51Te23GeGd15膜を形成し、その他はサンプル9と同様にして記憶素子10を作製して、サンプル13の試料の記憶素子とした。
また、イオン源層3としてCu49Te21GeGd20膜を形成し、その他はサンプル9と同様にして記憶素子10を作製して、サンプル14の試料の記憶素子とした。
これらのサンプルのうち、サンプル12〜サンプル14は本発明の記憶素子の構成(実施例)であり、サンプル11は本発明に対する比較例の構成である。
<Experiment 2>
A Cu 61 Te 27 Ge 7 Gd 5 film was formed as the ion source layer 3, and a memory element 10 was produced in the same manner as in the sample 9 except that the memory element of the sample 11 was obtained.
In addition, a Cu 56 Te 25 Ge 6 Gd 5 B 8 film was formed as the ion source layer 3, and a memory element 10 was fabricated in the same manner as in the sample 9 except that the memory element of the sample 12 was obtained.
In addition, a Cu 51 Te 23 Ge 6 Gd 5 B 15 film was formed as the ion source layer 3, and the memory element 10 was produced in the same manner as in the sample 9, and a sample 13 sample memory element was obtained.
Further, a Cu 49 Te 21 Ge 5 Gd 4 B 20 film was formed as the ion source layer 3, and the memory element 10 was produced in the same manner as in the sample 9 except that the memory element of the sample 14 was obtained.
Among these samples, sample 12 to sample 14 are configurations (examples) of the memory element of the present invention, and sample 11 is a configuration of a comparative example for the present invention.

これらサンプル11〜サンプル14の試料の記憶素子に対して、それぞれ、350℃で窒素雰囲気中熱処理を施した後に、各サンプルについて、同一ウエハ内に作製された異なる3つのセルの記憶素子のI−V特性を測定し、I−V特性のばらつきを調べた。サンプル11の測定結果を図7A〜図7Cに示し、サンプル12の測定結果を図8A〜図8Cに示し、サンプル13の測定結果を図9A〜図9Cに示し、サンプル14の測定結果を図10A〜図10Cに示す。   Each of the memory elements of Samples 11 to 14 was subjected to heat treatment in a nitrogen atmosphere at 350 ° C., and then each sample was subjected to I− of the memory elements of three different cells produced in the same wafer. V characteristics were measured, and variations in IV characteristics were examined. The measurement results of the sample 11 are shown in FIGS. 7A to 7C, the measurement results of the sample 12 are shown in FIGS. 8A to 8C, the measurement results of the sample 13 are shown in FIGS. 9A to 9C, and the measurement results of the sample 14 are shown in FIG. -Shown in FIG. 10C.

図7A〜図7Cから、比較例であるサンプル11では、同じウエハの3つのセルで、成膜条件が同じであるにもかかわらず、I−V特性がばらついていることがわかる。また、特に図7Aに示すセルでは、消去状態で0.35mA以上の電流が流れており、これは、350℃の窒素雰囲気中熱処理により微細膜構造が変化して、記憶用薄膜(記憶層)の構造も変化してその実効的な膜厚が薄くなったことによると考えられる。   From FIG. 7A to FIG. 7C, it can be seen that in the sample 11 which is a comparative example, the IV characteristics vary in three cells of the same wafer even though the film forming conditions are the same. In particular, in the cell shown in FIG. 7A, a current of 0.35 mA or more flows in the erased state. This is because the fine film structure is changed by heat treatment in a nitrogen atmosphere at 350 ° C., and the memory thin film (memory layer). This is thought to be due to the fact that the effective film thickness has become thinner due to changes in the structure.

これに対して、図8A〜図10Cから、本発明の実施例であるサンプル12〜サンプル14では、セル毎のI−V特性のばらつきが小さく、安定した特性が得られることがわかる。
また、図7〜図10の順に並べて比較すると、ボロンBの含有量が増加していくのに従い、消去状態の電流が小さくなっていくことがわかり、ボロンの添加によって、イオン源層の微細構造の熱安定性が改善されているものと推測される。
On the other hand, it can be seen from FIGS. 8A to 10C that Sample 12 to Sample 14 which are examples of the present invention have small variations in IV characteristics for each cell, and stable characteristics can be obtained.
7 to 10 are compared in order, it can be seen that the current in the erased state decreases as the boron B content increases. By adding boron, the fine structure of the ion source layer It is presumed that the thermal stability of is improved.

<実験3>
イオン源層3が希土類元素及びシリコンSiを含有する構成の記憶素子を作製し、I−V特性を調べた。
イオン源層3としてCu51Te31GeGdSi膜を形成し、その他はサンプル9と同様にして記憶素子10を作製して、サンプル15の試料の記憶素子とした。
また、イオン源層3としてCu48Te28GeGdSi12膜を形成し、その他はサンプル9と同様にして記憶素子10を作製して、サンプル16の試料の記憶素子とした。
また、イオン源層3としてCu40Te24GeGdSi26膜を形成し、その他はサンプル9と同様にして記憶素子10を作製して、サンプル17の試料の記憶素子とした。
<Experiment 3>
A memory element having a configuration in which the ion source layer 3 contains a rare earth element and silicon Si was manufactured, and IV characteristics were examined.
A Cu 51 Te 31 Ge 8 Gd 6 Si 4 film was formed as the ion source layer 3, and a memory element 10 was produced in the same manner as in the sample 9 except that the memory element of the sample 15 was obtained.
In addition, a Cu 48 Te 28 Ge 7 Gd 6 Si 12 film was formed as the ion source layer 3, and the memory element 10 was fabricated in the same manner as in the sample 9, and a sample 16 sample memory element was obtained.
Further, a Cu 40 Te 24 Ge 6 Gd 5 Si 26 film was formed as the ion source layer 3, and the memory element 10 was produced in the same manner as the sample 9 except that it was used as the sample memory element of the sample 17.

これらサンプル15〜サンプル17の試料の記憶素子に対して、それぞれ、280℃で窒素雰囲気中熱処理を施した後、I−V特性を測定した。このI−V特性の測定結果を図11A〜図11Cに示す。図11Aはサンプル15の測定結果を示し、図11Bはサンプル16の測定結果を示し、図11Cはサンプル17の測定結果を示している。   The memory elements of Samples 15 to 17 were each subjected to heat treatment in a nitrogen atmosphere at 280 ° C., and then the IV characteristics were measured. The measurement results of the IV characteristics are shown in FIGS. 11A to 11C. 11A shows the measurement result of the sample 15, FIG. 11B shows the measurement result of the sample 16, and FIG. 11C shows the measurement result of the sample 17.

図11A〜図11Cより、希土類元素及びシリコンをイオン源層に含有させたサンプル15〜サンプル17においても、ボロンをイオン源層に含有させたサンプルと同様に、熱処理後の記憶素子も良好なI−V特性を維持することがわかる。   11A to 11C, in Samples 15 to 17 in which the rare earth element and silicon are contained in the ion source layer, the memory element after the heat treatment is also excellent in the same manner as the sample in which boron is contained in the ion source layer. It can be seen that the -V characteristic is maintained.

<実験4>
イオン源層3が、ボロンB、希土類元素、並びにシリコンSiを含有する構成の記憶素子を作製し、I−V特性を調べた。
イオン源層3としてCu44Te26GeGdSi11膜を形成し、その他はサンプル9と同様にして記憶素子10を作製して、サンプル18の試料の記憶素子とした。
また、イオン源層3としてCu41Te25GeGd13Si10膜を形成し、その他はサンプル9と同様にして記憶素子10を作製して、サンプル19の試料の記憶素子とした。
また、イオン源層3としてCu39Te23GeGd18Si10膜を形成し、その他はサンプル9と同様にして記憶素子10を作製して、サンプル20の試料の記憶素子とした。
<Experiment 4>
A memory element having a configuration in which the ion source layer 3 contains boron B, a rare earth element, and silicon Si was manufactured, and IV characteristics were examined.
A Cu 44 Te 26 Ge 7 Gd 5 B 8 Si 11 film was formed as the ion source layer 3, and the memory element 10 was fabricated in the same manner as in the sample 9 except that the memory element of the sample 18 was obtained.
Further, a Cu 41 Te 25 Ge 6 Gd 5 B 13 Si 10 film was formed as the ion source layer 3, and the memory element 10 was produced in the same manner as in the sample 9, and a memory element of the sample 19 was obtained.
In addition, a Cu 39 Te 23 Ge 6 Gd 5 B 18 Si 10 film was formed as the ion source layer 3, and the memory element 10 was produced in the same manner as in the sample 9 to obtain a sample memory element of the sample 20.

これらサンプル18〜サンプル20の試料の記憶素子に対して、それぞれ、280℃で窒素雰囲気中熱処理を施した後、I−V特性を測定した。このI−V特性の測定結果を図12A〜図12Cに示す。図12Aはサンプル18の測定結果を示し、図12Bはサンプル19の測定結果を示し、図12Cはサンプル20の測定結果を示している。   Each of the memory elements of Samples 18 to 20 was subjected to heat treatment in a nitrogen atmosphere at 280 ° C., and then the IV characteristics were measured. The measurement results of the IV characteristics are shown in FIGS. 12A to 12C. 12A shows the measurement result of the sample 18, FIG. 12B shows the measurement result of the sample 19, and FIG. 12C shows the measurement result of the sample 20.

図12A〜図12Cより、ボロン、希土類元素、並びにシリコンをイオン源層に含有させたサンプル18〜サンプル20においても、ボロンをイオン源層に含有させたサンプルや希土類元素及びシリコンをイオン源層に含有させたサンプルと同様に、熱処理後の記憶素子も良好なI−V特性を維持することがわかる。   12A to 12C, samples 18 to 20 in which boron, a rare earth element, and silicon are included in the ion source layer are also included in the sample in which boron is included in the ion source layer, and the rare earth element and silicon are included in the ion source layer. It can be seen that the memory element after heat treatment maintains good IV characteristics as in the case of the contained sample.

本発明の記憶素子は、各種のメモリ装置に適用することができる。例えば、一度だけ書き込みが可能な、いわゆるPROM(プログラマブルROM)、電気的に消去が可能なEEPROM(Electrically Erasable ROM)、或いは、高速に記録・消去・再生が可能な、いわゆるRAM(ランダム・アクセス・メモリ)等、いずれのメモリ形態でも適用することが可能である。   The memory element of the present invention can be applied to various memory devices. For example, a so-called PROM (programmable ROM) that can be written only once, an electrically erasable EEPROM (electrically erasable ROM), or a so-called RAM (random access memory) that can be recorded / erased / reproduced at high speed. It is possible to apply any memory form such as (memory).

本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。   The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various other configurations can be taken without departing from the gist of the present invention.

本発明の一実施の形態の記憶素子の概略構成図(断面図)である。It is a schematic block diagram (sectional drawing) of the memory element of one embodiment of this invention. サンプル1の積層膜の成膜直後及び熱処理後のX線回折の測定結果である。It is the measurement result of the X-ray diffraction immediately after film-forming of the laminated film of the sample 1, and after heat processing. サンプル2の積層膜の処理条件の異なる3つの試料のX線回折の測定結果及び表面粗度の測定値である。It is the measurement result of the X-ray diffraction of the three samples from which the processing conditions of the laminated film of the sample 2 differ, and the measured value of surface roughness. サンプル3〜サンプル5の積層膜のX線回折の測定結果及び表面粗度の測定値である。It is the measurement result of the X-ray diffraction of the laminated film of Sample 3 to Sample 5, and the measured value of the surface roughness. A サンプル6の積層膜の電子線回折パターンである。 B サンプル7の積層膜の電子線回折パターンである。 C サンプル8の積層膜の電子線回折パターンである。A is an electron diffraction pattern of the laminated film of Sample 6. B is an electron diffraction pattern of the laminated film of Sample 7. C is an electron diffraction pattern of a laminated film of Sample 8. A サンプル9の記憶素子のI−V特性の測定結果である。 B サンプル10の記憶素子のI−V特性の測定結果である。A is a measurement result of IV characteristics of the memory element of Sample 9. B is a measurement result of IV characteristics of the memory element of sample 10. A〜C サンプル11の3つのセルの記憶素子のI−V特性の測定結果である。A to C are measurement results of IV characteristics of the memory elements of the three cells of the sample 11. A〜C サンプル12の3つのセルの記憶素子のI−V特性の測定結果である。A to C are measurement results of IV characteristics of the memory elements of the three cells of the sample 12. A〜C サンプル13の3つのセルの記憶素子のI−V特性の測定結果である。A to C are measurement results of IV characteristics of the memory elements of the three cells of the sample 13. A〜C サンプル14の3つのセルの記憶素子のI−V特性の測定結果である。A to C are measurement results of IV characteristics of the memory elements of the three cells of the sample 14. A サンプル15の記憶素子のI−V特性の測定結果である。 B サンプル16の記憶素子のI−V特性の測定結果である。 C サンプル17の記憶素子のI−V特性の測定結果である。A is a measurement result of IV characteristics of the memory element of Sample 15. B is a measurement result of IV characteristics of the memory element of sample 16. C is a measurement result of IV characteristics of the memory element of sample 17. A サンプル18の記憶素子のI−V特性の測定結果である。 B サンプル19の記憶素子のI−V特性の測定結果である。 C サンプル20の記憶素子のI−V特性の測定結果である。A is a measurement result of IV characteristics of the memory element of Sample 18. B is a measurement result of IV characteristics of the memory element of sample 19. C is a measurement result of IV characteristics of the memory element of sample 20.

符号の説明Explanation of symbols

1 基板、2 下部電極、3 イオン源層、4 記憶用薄膜(記憶層)、5 絶縁層、6 上部電極、10 記憶素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate, 2 Lower electrode, 3 Ion source layer, 4 Memory thin film (memory layer), 5 Insulating layer, 6 Upper electrode, 10 Memory element

Claims (6)

第1の電極と第2の電極との間に、記憶層及びイオン源層が挟まれて構成され、
前記イオン源層に、CuとTeとホウ素が含有されている
記憶素子。
A storage layer and an ion source layer are sandwiched between the first electrode and the second electrode,
A storage element, wherein the ion source layer contains Cu, Te, and boron.
前記イオン源層に、さらに、希土類元素又はシリコンが含有されている請求項1に記載の記憶素子。 The memory element according to claim 1, wherein the ion source layer further contains a rare earth element or silicon. 第1の電極と第2の電極との間に、記憶層及びイオン源層が挟まれて構成され、
前記イオン源層に、CuとTeと希土類元素及びシリコンが含有されている
記憶素子。
A storage layer and an ion source layer are sandwiched between the first electrode and the second electrode,
A storage element, wherein the ion source layer contains Cu, Te, a rare earth element, and silicon.
第1の電極と第2の電極との間に、記憶層及びイオン源層が挟まれて構成され、前記イオン源層に、CuとTeとホウ素が含有されている記憶素子と、
前記第1の電極側に接続された配線と、
前記第2の電極側に接続された配線とを有し、
前記記憶素子が多数配置されて成る
記憶装置。
A memory element including a memory layer and an ion source layer sandwiched between the first electrode and the second electrode, wherein the ion source layer contains Cu, Te, and boron;
Wiring connected to the first electrode side;
A wiring connected to the second electrode side,
A storage device in which a large number of the storage elements are arranged .
前記記憶素子の前記イオン源層に、さらに、希土類元素又はシリコンが含有されている請求項4に記載の記憶装置。 The storage device according to claim 4, wherein the ion source layer of the storage element further contains a rare earth element or silicon. 第1の電極と第2の電極との間に、記憶層及びイオン源層が挟まれて構成され、前記イオン源層に、CuとTeと希土類元素及びシリコンが含有されている記憶素子と、
前記第1の電極側に接続された配線と、
前記第2の電極側に接続された配線とを有し、
前記記憶素子が多数配置されて成る
記憶装置。
Between the first electrode and the second electrode, the storage layer and the ion source layer is configured sandwiched, in the ion source layer, and a memory element Cu and Te and the rare earth element and silicon is contained,
Wiring connected to the first electrode side;
A wiring connected to the second electrode side,
A storage device in which a large number of the storage elements are arranged .
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